【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于大气颗粒物探测设备及方法，具体涉及基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，还涉及基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法。
技术介绍
1、大气颗粒物污染已经成为全国乃至全球重要的环境污染问题。随着颗粒物污染呈现出小粒径和低浓度的变化特点，对颗粒物质量浓度测量系统提出了更高要求。目前的测量方法主要有滤膜称重法、光衰减法、压电晶体法和光散射法等。滤膜称重法广泛应用于环境监测、水质处理等领域。其工作原理是将已知体积的液体通过膜过滤器，膜过滤器将颗粒物质保留在其表面。然后对过滤器进行干燥和称重，以确定颗粒物的质量；压电晶体法(又称压电晶体频差法)使空气以恒定流量通过切割器，进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器，在高压电晕放电的作用下，气流中的颗粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面上，因电极上增加了颗粒物的质量，其振荡频率发生变化，根据频率变化可测定颗粒物的质量浓度。β射线吸收法是当仪器按规定流量抽取空气样品，气体通过带状滤纸过滤，使粉尘集中到该滤纸上，捕集前和捕集后的滤纸经β射线照射并测定透过滤纸的β射线强度，便能间接测出附在滤纸上的粉尘质量。光散射法是待测气体通过气泵被抽取到测量区，与激光器发出的激光作用，产生散射光，再通过光电探测器收集特定角度上的散射光，经信号采集电路将散射光电流转换为电压，由于颗粒物产生的散射光包含颗粒的粒径、质量浓度等信息，因此分析散射光信号转换后的电压信号可得到颗粒物质量浓度。
2、滤膜称重法在测定过程中，存在操作烦琐、费时、采样仪笨重、噪声大等缺点；压电晶体法对环境条件
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，能够提高小粒径和低浓度的颗粒物质量浓度的测量精度。
2、本专利技术的另一目的是提供基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法。
3、本专利技术所采用的技术方案是，基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，包括：
4、颗粒物发生模块，用于产生颗粒物气体，并将该颗粒物气体喷射至光敏区；
5、颗粒物光散射模块，用于发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
6、散射光信号处理模块，用于探测光敏区散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。
7、本专利技术的特点还在于：
8、颗粒物发生模块包括气溶胶发生器、粒径切割器、缓冲箱、气泵和气路系统，气路系统连接鞘气管一端，鞘气管另一端延伸至光敏区。
9、颗粒物光散射模块包括半导体激光器，半导体激光器发出的光束依次经过可调光阑、汇聚光束平凸透镜、调整光束平凸透镜进入光功率计中，光敏区位于汇聚光束平凸透镜与调整光束平凸透镜之间。
10、散射光信号处理模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器位于调整光束平凸透镜下部，且与半导体激光器发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，第二光电探测器位于汇聚光束平凸透镜下部，且与半导体激光器发出的光束在光敏区中心位置夹角为45°，第一光电探测器、第二光电探测器与光敏区中心位置之间均设置平凸透镜、光阑，第一光电探测器和第二光电探测器输出端均连接数据采集卡，采集卡连接装载labview软件的上位机。
11、第一光电探测器、第二光电探测器与光束在光敏区中心的距离为15cm。
12、在第一光电探测器、第二光电探测器与数据采集卡之间还包括lms自适应滤波模块，用于对接受到的散射光信号进行降噪处理，提取出有效的颗粒物散射光强信息。
13、lms自适应滤波模块包括数字滤波器和自适应滤波算法两部分。
14、本专利技术所采用的另一技术方案是，基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，使用基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，具体按照以下步骤实施：
15、步骤1、通过颗粒物发生模块产生颗粒物气体喷射至光敏区；
16、步骤2、开启颗粒物光散射模块，发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
17、步骤3、通过散射光信号处理模块探测散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。
18、本专利技术的特点还在于：
19、散射光信号处理模块包括lms自适应滤波模块，步骤3中通过散射光信号处理模块探测散射光信号后还包括对散射光信号进行滤波，具体过程为：根据n时刻采集背景光的电压信号设置参考信号d(n)，对n时刻的散射光信号进行数字滤波，输出信号y(n)，将输出信号y(n)与参考信号d(n)进行比对处理，产生误差信号e(n)，设置自适应滤波器，自适应滤波器的单位脉冲响应受误差信号e(n)控制，根据e(n)的值而自动调整，使得下一时刻的输入x(n+1)可以使输出y(n+1)更接近期望响应d(n+1)，直至误差信号均方差e(n)达到最小值，通过误差信号均方差e(n)调整自适应滤波器系数，最终输出滤波后的散射光信号。
20、步骤3中对散射光信号进行分析具体过程为：
21、在不考虑粒子多次散射的情况下，颗粒物的质量浓度与散射光强度响应信号之间存在如下线性关系:
22、
23、式(1)中，k表示初步的颗粒物浓度转化系数，up表示该测量条件下光电探测器的光强度电压，cm为标准仪器测得的颗粒物浓度；
24、由后向135°处接收到的散射光强度电压u2与前向45°处的散射光强度电压u1之比组成不对称因子af，表达式为：
25、
26、颗粒物粒径d与不对称因子af存在线性关系：
27、af＝0.054×d+0.264 (3)
28、颗粒物粒径d与质量浓度因子mcf之间的线性关系为：
29、mcf＝-0.28×d+9.54 (4)
30、通过式(3)和式(4)，颗粒物粒径d与不对称因子af和质量浓度因子mcf均存在线性关系，以颗粒物粒径d作为中间桥梁，将af与mcf联系起来，则有：
31、mcf＝-5.185×af+10.909 (5)
32、将质量浓度因子mcf作为新的浓度转化系数k，根据式(1)和式(5)可得到颗粒物浓度cm，表示为：
33、
34、本专利技术的有益效果是：
35、本专利技术基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，通过利用不对称因子得到待测颗粒物浓度计算公式，使大气颗粒物浓度检测结果准确度高，稳定性好；
36、本专利技术基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统在颗粒物测量方面具有非接触式测量、测量结构简单、测量结果实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述颗粒物发生模块包括气溶胶发生器、粒径切割器、缓冲箱、气泵和气路系统，所述气路系统连接鞘气管(4)一端，所述鞘气管(4)另一端延伸至光敏区。
3.根据权利要求1所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述颗粒物光散射模块包括半导体激光器(1)，所述半导体激光器(1)发出的光束依次经过可调光阑(2)、汇聚光束平凸透镜(3)、调整光束平凸透镜(5)进入光功率计(6)中，所述光敏区位于汇聚光束平凸透镜(3)与调整光束平凸透镜(5)之间。
4.根据权利要求3所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述散射光信号处理模块包括第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)，所述第一光电探测器(7)位于调整光束平凸透镜(5)下部，且与半导体激光器(1)发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，所述第二光电探测器(8)位于汇聚光束平凸透镜(3)下部，且与半导体激光器(1)发出的光束在光敏
5.根据权利要求4所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与光束在光敏区中心的距离为15cm。
6.根据权利要求4所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，在所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与数据采集卡(10)之间还包括LMS自适应滤波模块，用于接收的散射光信号进行降噪处理，提取出有效的颗粒物散射光强信息。
7.根据权利要求6所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述LMS自适应滤波模块包括数字滤波器和自适应滤波算法两部分。
8.基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，其特征在于，使用权利要求1-7任意一项所述的基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，具体按照以下步骤实施：
9.根据权利要求8所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，其特征在于，所述散射光信号处理模块包括LMS自适应滤波模块，步骤3中所述通过散射光信号处理模块探测散射光信号后还包括对散射光信号进行滤波，具体过程为：根据n时刻采集背景光的电压信号设置参考信号d(n)，对n时刻的散射光信号进行数字滤波，输出信号y(n)，将输出信号y(n)与参考信号d(n)进行比对处理，产生误差信号e(n)，设置自适应滤波器，自适应滤波器的单位脉冲响应受误差信号e(n)控制，根据e(n)的值而自动调整，使得下一时刻的输入x(n+1)可以使输出y(n+1)更接近期望响应d(n+1)，直至误差信号均方差e(n)达到最小值，通过误差信号均方差e(n)调整自适应滤波器系数，最终输出滤波后的散射光信号。
10.根据权利要求7所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，其特征在于，步骤3中所述对散射光信号进行分析具体过程为：
...【技术特征摘要】
1.基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述颗粒物发生模块包括气溶胶发生器、粒径切割器、缓冲箱、气泵和气路系统，所述气路系统连接鞘气管(4)一端，所述鞘气管(4)另一端延伸至光敏区。
3.根据权利要求1所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述颗粒物光散射模块包括半导体激光器(1)，所述半导体激光器(1)发出的光束依次经过可调光阑(2)、汇聚光束平凸透镜(3)、调整光束平凸透镜(5)进入光功率计(6)中，所述光敏区位于汇聚光束平凸透镜(3)与调整光束平凸透镜(5)之间。
4.根据权利要求3所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述散射光信号处理模块包括第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)，所述第一光电探测器(7)位于调整光束平凸透镜(5)下部，且与半导体激光器(1)发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，所述第二光电探测器(8)位于汇聚光束平凸透镜(3)下部，且与半导体激光器(1)发出的光束在光敏区中心位置夹角为45°，所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与光敏区中心位置之间均设置平凸透镜(11)、光阑(12)，所述第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)输出端均连接数据采集卡(10)，所述采集卡(10)连接装载labview软件的上位机(9)。
5.根据权利要求4所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测系统，其特征在于，所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与光束在光敏区中心的距离...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵恒，房佳敏，张艳艳，张婕，张瑶，张斯普，鬲史瑜，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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